Sistemas de recuperación de calor

Se sabe que reducir el consumo energético es más efectivo que evitar su gasto, por lo que la innovación en sistemas de recuperación de calor ofrece ambas opciones: reducir la demanda innecesaria de combustibles y aprovechar el calor que se genere. Una gran alternativa para cubrir las necesidades de climatización y evitar emisiones contaminantes.

La tecnología ePower y sus equipos auxiliares maximizan los ahorros y garantizan el suminisro de agua helada.

Donald Hay.

Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en un mismo equipo o en otrosEl calor residual es aquél contenido en los productos y subproductos de un proceso, el cual eleva su temperatura a niveles mayores de los adecuados para su emisión o almacenaje. Este calor puede aprovecharse de modo que se cumplan diversos objetivos simultáneamente:

• Disminuir la temperatura de emisión de fluidos, con el fin de reducir la contaminación térmica de la planta
• En los efluentes de los procesos industriales, el calor residual supone una importante pérdida de energía térmica en la industria, mientras que su aprovechamiento aumenta significativamente la eficiencia energética, tanto de los equipos, como de la eficiencia global de la planta. Cuanto mayor sea la temperatura de la fuente de calor residual, mayor será la capacidad de aprovechamiento.

En general, en una planta, los equipos susceptibles de ser mejorados con medidas de recuperación de calor residual son múltiples:

• Hornos eléctricos y de gas
• Calderas de todo tipo (gas, gasóleo, biomasa, etcétera)
• Secaderos
• Evaporadores
• Compresores
• Sistemas de refrigeración
• Turbinas
• Motores
• Instalaciones de cogeneración

Por otro lado, las líneas de aprovechamiento de calor residual son, fundamentalmente, dos:

Recuperación del calor residual de gases de combustión. Una disminución de aproximadamente 20 °C en la temperatura de emisión de estos gases implica un aumento del rendimiento energético de una caldera, equivalente a uno por ciento. Dado que los gases de combustión salen muy calientes, la posible reducción de la temperatura es grande, con lo que se obtienen ahorros significativos

Recuperación del calor residual de otros fluidos. Las posibilidades de aprovechamiento son menores y las temperaturas también, en comparación con los gases de combustión. En este punto se incluye el aprovechamiento del calor de aguas residuales calientes procedentes de procesos de refrigeración de equipos

En 2010, cuando en la ciudad de Vancouver, Canadá, se investigaba sobre los diferentes sistemas de agua caliente centralizada para proporcionar calefacción a la Villa Olímpica durante los Juegos Olímpicos, la solución más evidente fue formar una red de agua utilizando un sistema tradicional, basado en la combustión de gas natural y en calderas. Sin embargo, esta tecnología antigua no cumplía con sus objetivos: ser la ciudad más verde del mundo, promover proyectos sustentables e invertir sólo en aquellos económicamente viables.

Para alcanzar estas metas en el mercado se diseñó y construyó un sistema tipo ePower para la recuperación de calor de baja intensidad, que utiliza un sistema de compresión de vapor para producir agua caliente a 80 °C para la Villa. Con este sistema el cliente logró producir 70 por ciento del calor demandado por la Villa Olímpica, sin generar contaminación.

El desarrollo de esta nueva tecnología es muy importante debido a que posibilita ofrecer proyectos altamente rentables con un tiempo de recuperación de inversión de menos de 24 meses; sin embargo, esto no tiene que ver con los beneficios que se otorgan al medioambiente.

La posibilidad de calentar el agua sin combustión disminuye los riesgos de fuego y explosiones en las edificaciones; además, brinda una reducción significativa en el consumo indiscriminado de recursos naturales no renovables. Por otra parte, estos equipos mitigan la cantidad de gases contaminantes que pudieran arrojarse al medioambiente; por ejemplo, si se compara un equipo de un millón de BTU/h del tipo ePower con un equipo de combustión que utiliza diésel, se puede obtener una reducción en contaminación de más de 32 toneladas de CO2 al año. Ahora bien, si esta tecnología se utilizara en todos los hoteles que se ubican en la Ciudad de México, el impacto en la reducción de contaminación sería muy significativo, aspecto esencial debido al costo que representaría tanto a nivel social, como ambiental y económico.

Aprovechamiento. El diseño y la fabricación del equipo ePower permite usar al máximo el calor residual

El concepto tecnológico del equipo ePower se basa en la definición del concepto de aire acondicionado y la primera Ley de la Termodinámica, la cual no permite producir ni destruir energía, sólo transformarla de una temperatura mayor a una menor. Bajo este esquema, durante años, la definición de aire acondicionado y refrigeración fue la de remover el calor de donde no se requería y expulsarlo a una zona más adecuada; posteriormente, el cambio que experimentó la tecnología radicó en modificar el sistema para que el calor que antes se desechaba pudiera utilizarse para producir un beneficio.

Sin embargo, usar el calor de esta manera no es nuevo. La verdadera aportación es la integración del calor de dos sistemas y el desarrollo de una nueva tecnología que eleva la temperatura del calor expulsado, la cual produce agua caliente para uso doméstico a un costo rentable. Hay que recordar que, usualmente, en los sistemas de aire acondicionado la temperatura donde el calor es expulsado es sólo de 35 °C, la cual no es lo suficientemente alta para obtener agua caliente doméstica por razones de salubridad. Para eliminar la posibilidad de enfermedades en nuestros sistemas de agua caliente, la Organización Mundial de la Salud indica que es importante que la temperatura se mantenga por encima de los 60 °C para eliminar la bacteria de la Legionella.

Para alcanzar estas metas, el equipo ePower está diseñado y fabricado para aprovechar al máximo el calor que existe dentro de una instalación. Por ejemplo, para el caso de un hotel, hay tanto calor en los cuartos que se requiere de un sistema de aire acondicionado que lo remueva (crear confort). Si se utiliza un equipo de aire acondicionado normal, el calor procedente de la iluminación, de los huéspedes, de los equipos eléctricos, la radiación solar y otras fuentes es rechazado hacia el condensador sin aprovecharse. En el equipo ePower este calor se aprovecha, lo cual implica un ahorro para el cliente; sin embargo, no es un proceso fácil.

En el pasado, la selección de los equipos no presentaba dificultad, porque el equipo de aire acondicionado trabajaba removiendo el calor en el momento requerido y en forma totalmente independiente de los otros sistemas del inmueble. A su vez, el sistema de calefacción de agua domestica también trabaja completamente desconectado de los demás sistemas.

En un nuevo esquema de trabajo, el uso de la tecnología ePower y sus equipos auxiliares maximiza los ahorros, ya que ambos sistemas trabajan simultáneamente para conseguir su integración. Esto se logra al efectuar un estudio del consumo y la demanda, a fin de determinar la coincidencia entre los dos sistemas. Así, es posible lograr proyectar un ahorro real y, a la vez, garantizar el suministro de agua helada, agua caliente y la recuperación de la inversión en un plazo atractivo.

La configuración del equipo ePower normalmente está diseñada en dos etapas, por el lado de frío; y en dos etapas, por el lado del lado de calor. Ambas etapas por el lado de frío permiten la producción de agua helada mediante un sistema en serie a contraflujo para reducir la presión diferencial entre el cooler (enfriador) y el condensador, lo que resulta en una reducción del consumo energético del compresor de entre cinco y 10 por ciento.

Respecto del agua caliente, la primera etapa usa el calor de sobrecalentamiento en la descarga del compresor tipo tornillo, con refrigerante ecológico R-134a para subir la temperatura del agua doméstica de 25 a 35 o 40 °C, sin ningún costo o consumo energético adicional. Se debe considerar que si el calor que existe en la descarga de todos los compresores se remueve del sistema y el resultado es una reducción en el consumo del compresor y su desgaste.

En la segunda etapa del calentamiento se usa un sistema auxiliar de compresión para producir la temperatura del agua caliente requerida y, a la vez, obtener un efecto de refrigeración que reduzca el consumo del compresor principal. En el caso de las dos etapas de calentamiento se utilizan intercambiadores con tubos de titanio; esto elimina el riesgo de corrosión, la cual ocurre con el agua que producen los sistemas de ósmosis, en combinación con la alta temperatura del sistema.

En las albercas de los hoteles puede utilizarse el sistema de sobrecalentamiento de la descarga del compresor para calentar el agua sin ningún costo, sin quemar combustible, sin consumir electricidad y sin contaminar el ambiente.

Al emplear estos conceptos, el coeficiente de operación (COP) puede aumentar más del doble en comparación con un sistema normal de aire acondionado. El COP se define como la relación directa entre el calor aprovechado y el calor aplicado al motor del sistema de aire acondicionado; no obstante, con el uso de esta tecnología existen beneficios adicionales además de la mejora en el COP, tal como la reducción del calor enviado al condensador, con lo que disminuye significativamente el consumo de agua de la torre de enfriamiento.

Aplicaciones. En las albercas de los hoteles es posible utilizar un sistema de sobrecalentamiento, sin ningún costo, sin quemar combustible, sin consumir electricidad y sin contaminar

Típicamente, con un equipo de 300 toneladas se puede reducir el consumo de agua en más de 500 m³, que resulta en un ahorro monetario importante para el cliente. El consumo de energía que utiliza el compresor del sistema, los productos químicos para el tratamiento de agua de la torre de enfriamiento y el costo del mantenimiento del equipo se reducen en proporción con la reducción en la presión del condensador. Si se suman todos los beneficios que proporciona el sistema ePower, el costo de inversión se puede recuperar en menos de 24 meses.

Esta tecnología puede emplearse en diversas industrias y la pueden aplicar incontables usuarios que requieran en forma simultánea producción de frío y calor para obtener temperaturas de entre -20 y 30 °C, y para producir agua caliente de entre 30 y 75 °C.

La implementación del equipo ePower en edificios e industria trae consigo diferentes beneficios, como la eliminación del consumo de los recursos naturales no renovables, reducción en el consumo de agua de la torre de enfriamiento, reducción en el consumo de productos químicos para el tratamiento del agua de las torres y la reducción en el consumo de energía (kW/ton) por el sistema de aire acondicionado. Propiciar este tipo de proyectos traerá una mejora en la relación del hombre con el medioambiente.
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Donald James Hay
Fundador de la compañía Tecsir, ha trabajado en la ingeniería y manufactura de equipos de refrigeración industrial, así como en intercambiadores de calor y otros productos. Actualmente es socio activo de ASHRAE, Capítulo Monterrey, y recientemente se hizo merecedor al Premio Milton Garland que otorga dicha Asociación.